Investigation of tensile properties of tensile properties of polypropylene/ graphene/ nano clay nanocomposits applying the response surface methodology

Authors

1 Associate professor, Department of Mechanical Engineering, Shahid Rajaee Teacher Training University

2 Plastic Dept., Iran Polymer & petrochemical Institute

3 Department of Mechanical Engineering, Shahid Rajaee Teacher Training University

Abstract

In this study, using design of experiments, the effect of the total weight percentage of graphene nanosheets and nano clay and their weight ratio and weight percentage of compatibilizer (PPg-MA) on the tensile properties of polypropylene/ graphene/ nano clay/ PP-g-MA nanocomposites were investigated. Design of experiments and analysis of experimental data with Minitab 16 software and response surface methodology were carried out. Making nanocomposites, based on the melt mixing was performed. All combinations and pure states materials were mixed together in a co-rotating twin-screw extruder and then injection molded into standard tensile test samples. The tensile properties of all samples including tensile strength, Young's modulus and elongation at break was studied experimentally. Statistical models provided by response surface methodology had good agreement with experimental findings. Statistical analysis showed that with increasing the percentage of nanoparticles, tensile strength and elongation at break of nanocomposites reduced. Also increasing the percentage of nanoparticles increase the stiffness of nanocomposites without compatibilizer, however, with the increasing amount of compatibilizer, reduced modulus. Compounds morphology by Scanning Electron Microscopy (SEM) was performed. Micrographes showed better dispersion of the particles in lower percentages.

Keywords

References

[1] حبیب­نژاد کورایم، مهدی، "نانومواد"، تهران، فراندیش، (1386).
 
[2] ابراهیمی، محمد ابراهیم، "سنتز و روش ساخت مواد نانوساختار"، تهران، دانش­پویان­جوان، (1386).
 
[3] حدادی اصل، وحید، و کریم­خانی، وحید، "مقدمه­ای بر کاربرد نانوفناوری در پلیمرها"، تهران، پژوهشگاه صنعت نفت، (1389).
 
[4] Silvano, J. R., Rodrigues, S. A., Marini, J., Bretas, R. E. S., Canevarolo, S. V., Carvalho, B. M., and Pinheiro, L. A., "Effect of Reprocessing and Clay Concentration on the Degradation of Polypropylene/ Montmorillonite Nanocomposites during Twin Screw Extrusion", Polymer Degradation and Stability ,Vol. 98, pp. 801-808, (2013).
 
[5] Fakirov, S., "Nano and Micro Fibrillar Single-polymer Composites: A Review", Macromolecular Materials and Engineering, Vol. 298, pp. 9–32, (2013).
 
[6] Schmidt, G., and Malwitz, M. M., "Properties of Polymer–nanoparticle Composites", Current Opinion in Colloid and Interface Science, Vol. 8, pp. 103–108, (2003).
 
[7] Galpaya, D., Wang, M., Liu, M., Motta, N., Waclawik, E., and Yan, C., "Recent Advances in Fabrication and Characterization of Graphene-polymer Nanocomposites", Graphene, Vol. 1, pp. 30-49, (2012).
 
[8] آشنای قاسمی، فرامرز و پایگانه، غلامحسن، و رحمانی، مهدی، "تأثیر نانوذرات کربنات­کلسیم روکش­شده با اسید استئاریک و PP-g-MA بر خواص مکانیکی نانوکامپوزیت­های PP/CaCO3/PP-g-MA"، مجله علمی پژوهشی مهندسی مکانیک مدرس، دوره 13، شماره 4، ص.ص. 139-152، (1392).
 
[9] رحمانی، مهدی، و آشنای قاسمی، فرامرز، و پایگانه، غلامحسن، و کلائی، محمدرضا، "تأثیر سازگارکننده PP-g-MA و نانوذرات کربنات کلسیم بر خواص کششی نانوکامپوزیت­های PP/CaCO3/PP-g-MA"، ششمین همایش مشترک انجمن مهندسین متالوژی و انجمن علمی ریخته­گری ایران، (1391).
 
[10] رحمانی اهرنجانی، رامین، و قربان­پور آرانی، علی، و شکروی، مریم، "مقدمه­ای بر نانوفناوری"،  تهران، نشرکتب دانشگاهی، (1388).
 
[11] Lei, S. G., Ton-That, M. T., and Hoa, S. V, "Effect of Clay Types on the Processing and Properties of Polypropylene Nanocomposites", Composites Science and Technology, Vol. 66, pp. 1274–1279, (2006).
 
[12] Martin- Gallego, M., Bernal, M. M., Hernandez, M., Verdejo, R., and Lopez-Manchado, M. A., "Comparison of Filler Percolation and Mechanical Properties in Graphene and Carbon Nanotubes Filled Epoxy Nanocomposites", European Polymer Journal, Vol. 49, pp. 1347–1353, (2013).
 
[13] Yuan, B., Bao, C., Song, L., Hong, N., Liew, K. M., and Hu, Y., "Preparation of Functionalized Graphene Oxide/Polypropylene Nanocomposite with Significantly Improved Thermal Stability and Studies on the Crystallization Behavior and Mechanical Properties", Chemical Engineering Journal, Vol. 237, pp. 411– 420, (2014).
 
[14] فروغ فرد، ابوطالب، و پورکمالی انارکی، علی، و قاسمی، اسماعیل، "مقایسه خواص مکانیکی نانوکامپوزیت­های پلی­پروپیلن/ خاک رس و پلی­اتیلن/ خاک رس"، مجله علمی پژوهشی مهندسی مکانیک مدرس، دوره 13، شماره 5، ص.ص. 83-90، (1392).
[15] Chafidz, A., Al-haj Ali, M., and Elleithy, R., "Morphological, Thermal, Rheological, and Mechanical Properties of Polypropylene-Nanoclay Composites Prepared from Masterbatch in a Twin Screw Extruder", J. Mater. Sci, Vol. 46, pp. 6075–6086, (2011).
 
[16] Zhang, S. L., Zhang, Z. X., Xin, Z. X., Pal, K., and Kim, J. K., "Prediction of Mechanical Properties of Polypropylene/ Waste Ground Rubber Tire Powder Treated by Bitumen Composites via Uniform Design and Artificial Neural Networks", Materials and Design, Vol. 31, pp. 1900–1905, (2010).
 
[17] Ghasemi, I., Karrabi, M., Mohammadi, M., and Azizi, H., "Evaluating the Effect of Processing Conditions and Organoclay Content on the Properties of Styrene-Butadiene Rubber/ Organoclay Nanocomposites by Response Surface Methodology", eXPRESS Polymer Letters, Vol. 4, No. 2, pp. 62–70, (2010).
 
[18] Montgomery, D. C., "Design and Analysis of Experiments", New York, J. Wiley & Sons, (2005).
 
[19] همایونفال، مینا، و خدائیان، فرامرز، و موسوی، محمد، و حسینی پنجکی، محمد، "آماده سازی و ارزیابی ویژگی­های امولسیون­های تهیه شده بر پایه روغن گردو به روش سطح پاسخ"، مجله علوم تغذیه و صنایع غذایی ایران، دوره 8، شماره 2، ص.ص. 191-199، (1392).
 
[20] Perrin- Sarazin, F., Ton-That, M. T., Bureau, M. N., and Denault, J., "Micro and Nano Structure in Polypropylene/ Clay Nanocomposites", Polymer, Vol. 46, pp. 11624–11634, (2005).
 

[21] Minitab Program 16 Help, Box-Behnken Designs.

 

[22] Kiss, A., Fekete, E., and Pukánszky, B., "Aggregation of CaCo3 Particles in PP Composites: Effect of Surface Coating", Composites Science and Technology, Vol. 67, pp. 1574-1583, (2007).
 
[23] مهرداد شکریه، محمود، و احمدی جنیدی، وهاب، "ساخت و مشخصه­سازی آزمایشی نانوکامپوزیت گرافن/ پلی­پروپیلن"، مجله علمی پژوهشی مهندسی مکانیک مدرس، دوره 13، شماره 11، ص.ص. 55-63، (1392).
 
[24] Chiu, F. C., Lee, C., and Lo, C., "Fabrication and Comparison of PP (Blend) Based (Nano) Composites Effect of PP Matrix Flow Property", Materials Chemistry and Physics, pp.1-10, (2013).
 
[25] Roh, J., Ma, S. W., Lee, W., Hahn, H. T., and Lee, D. W., "Electrical and Mechanical Properties of Graphite/ Maleic Anhydride Grafted Polypropylene Nanocomposites", Composites, Part B, Vol. 45, pp. 1548–1553, (2013).
 
[26] Venkatesh, G. S., Ajay Karmarkar, A. D., and Chauhan, S. S., "Effect of Nanoclay Content and Compatibilizer on Viscoelastic Properties of Montmorillonite/ Polypropylene Nanocomposites", Materials and Design, Vol. 37, pp. 285–291, (2012).
 
[27] El Achaby, M., Arrakhiz, F., Vaudreuil, S. b., Qaiss, A. K., Bousmina, M., and Fassi-Fehri, O., "Mechanical, Thermal, and Rheological Properties of Graphene-based Polypropylene Nanocomposites Prepared by Melt Mixing", Polymer Composites, Society of Plastics Engineers, Vol. 33, No. 5, pp. 733-744, (2012).
 
[28] Cauvin, L., Kondo, D., Brieu, M., and Bhatnagar, N., "Mechanical Properties of Polypropylene Layered Silicate Nanocomposites: Characterization and Micro-macro Modelling", Polymer Testing, Vol. 29, pp. 245–250, (2010).
 
[29] آشنای قاسمی، فرامرز، و قاسمی، اسماعیل، و دانش پایه، سجاد، "خواص مکانیکی و حرارتی نانوکامپوزیت­های پایه پلی­پروپیلن/ پلی­اتیلن خطی چگالی پایین/ نانوذرات اکسید تیتانیوم"، مجله علمی پژوهشی مهندسی مکانیک مدرس، دوره 14، شماره 3، ص.ص. 103-109، (1393).
 
[30] آشنای قاسمی، فرامرز، و اسلامی فارسانی، محمود، "تأثیر نانوذرات کربنات کلسیم بر خواص دینامیکی پلی­پروپیلن"، مجله علمی پژوهشی مهندسی مکانیک مدرس، دوره 13، شماره 6، ص.ص. 1-10، (1392).
 
[31] فیروزمنش، محمدرضا، و یزدان­پناه، سیمین، "مواد کامپوزیت با نگرشی بر روش­های نوین آنالیز حرارتی"، تهران، مؤسسه نشر نگاه دانش، (1379).
 
[32] Hajir Bahrami, S., and Mirzaie, Z., "Polypropylene/ Modified Nanoclay Composite-Processing and Dyeability Properties", World Applied Sciences Journal, Vol. 13, No. 3, pp. 493-501, (2011).
 
[33] Achaby, M. E., and Qaiss, A., "Processing and Properties of Polyethylene Reinforced by Graphene Nanosheets and Carbon Nanotubes", Materials and Design, Vol. 44, pp. 81–89, (2013).
 
[34] Hegde, R. R., Bhat, G. S., Spruiell, J. E., and Benson, R., "Structure and Properties of Polypropylene Nanoclay Composites", J. Polym. Res, Vol. 20, No. 323, (2013).
Iranian Journal of Mechanical Engineering Transactions of ISME
Volume 18, Issue 2 - Serial Number 43
Fluid Mechanics and Heat Transfer
October 2016
Pages 22-41

Files

History

  • Receive Date: 13 July 2015
  • Revise Date: 15 July 2015
  • Accept Date: 15 August 2015

Share

How to cite

Statistics